本发明涉及水下机器人浮力补偿装置，具体地说是一种水下机器人用被动气动式浮力补偿装置。
背景技术：
水下机器人作为一种水下测量、工作平台，是人类探索海洋最重要的手段，已经广泛应用在海洋科学研究、海洋工程、海洋资源勘探、救援打捞、海底探测、海洋生物研究与追踪等领域。通常水下机器人需要定时露出水面与卫星连接实现通讯与定位，以保证水下机器人正常稳定的工作状态。海水密度会随着深度变化而发生变化，水下机器人的浮力状态也会随之变化，进而影响水下机器人的运动状态。当水下机器人需要到水面与卫星通讯时，需要增加自身的浮力以保证天线能够露出水面。因此，研究模块化、结构紧凑、稳定可靠的水下机器人用浮力补偿装置，对提高水下机器人整体性能具有重要作用。
技术实现要素：
为了满足水下机器人的天线能够露出水面保证水面通讯安全可靠的工作要求，本发明的目的在于提供一种水下机器人用被动气动式浮力补偿装置。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明包括外气囊及分别安装在水下机器人舱体内的菌型盖、气动接头和驱动元件，其中外气囊安装在承压外壳上，所述菌型盖位于外气囊的内部，并通过所述气动接头与水下机器人的承压外壳连接，该菌型盖与所述承压外壳之间留有流通空气的缝隙；所述驱动元件包括单向阀、气动三通接头、截止式电磁阀及隔膜泵，水下机器人舱体内设有安装板，所述单向阀、气动三通接头、截止式电磁阀及隔膜泵分别安装在该安装板上，该隔膜泵的排气口通过单向阀与气动三通接头的一个端口相连，所述隔膜泵的吸气口与水下机器人内舱连接，所述截止式电磁阀的一端与气动三通接头的第二个端口相连，另一端与水下机器人内舱连接，所述气动三通接头的第三个端口与气动接头相连；所述水下机器人内舱的气体通过隔膜泵抽出，经过所述单向阀、气动三通接头、气动接头、菌型盖与承压外壳间的缝隙向外气囊中充气，进而增加水下机器人的浮力；所述外气囊中的气体在外气囊与水下机器人内舱的压力差作用下经过菌型盖与承压外壳间的缝隙、截止式电磁阀流回水下机器人内舱，进而减小水下机器人的浮力；
其中：所述菌型盖的上部分别具有盖盘a及盖盘b，下部为盖柱，该盖盘a与所述承压外壳之间留有供气体流通的缝隙，所述盖柱内部沿轴向开有气孔a，所述盖盘b的圆周方向沿径向均匀开设有多个气孔b，各所述气孔b的一端分别与气孔a相连通，另一端开设至所述盖盘b的外表面；
所述盖盘b位于盖盘a的下方，且直径小于盖盘a的直径，每个所述气孔b上方的盖盘a的下表面上均开设有用于气体流通的u形槽；
所述截止式电磁阀为二位二通阀，所述外气囊内的气体由外界水下压力作用通过该截止式电磁阀回流至水下机器人内舱，气体的流量通过所述截止式电磁阀控制；
所述水下机器人内舱抽真空度，实现水面回气；
所述外气囊内气体回流至水下机器人内舱后，该外气囊压在所述菌型盖和承压外壳上，通过所述外气囊、菌型盖及承压外壳的配合将菌型盖与承压外壳之间的缝隙密封，所述单向阀、气动三通接头、截止式电磁阀及隔膜泵与外界水压隔离；
所述外气囊通过压环安装在承压外壳上；
所述承压外壳上安装有导流罩，所述外气囊位于该导流罩内，浸没在水下机器人所处海水中。
本发明的优点与积极效果为：
1.与传统的水下机器人用浮力调节系统相比，本发明主动充气过程功耗低、效率高，被动回气过程基本无能量消耗，节省水下机器人的能源，同时浮力补偿装置具有占用体积小，不需要内气囊的特点。
2.本发明通过单项隔膜实现排气，通过单向阀防止气体回流，进而增加水下机器人的浮力，结构简单，功耗低，效率高，安全可靠。
3.本发明能够在保证水下机器人在深海工作时气动元件的安全，当外气囊内的空气都被压回舱内时，外气囊压在菌型盖和承压外壳上，通过外气囊、菌型盖与承压外壳的配合将菌型盖与承压外之间的缝隙密封，将舱内的单向阀、气动三通接头、截止式电磁阀、隔膜泵与外界水压隔离。
4.本发明浮力调节能力大，通过调整外气囊容积，即可灵活调整最大浮力调节量。
5.本发明不限于在水下滑翔机及auv上应用，对于各种需要浮力调节或者浮力驱动的水下机器人本发明同样具有较好的效果。
附图说明
图1为本发明的结构原理图；
图2为本发明外气囊与水下机器人承压外壳连接部分的结构示意图；
图3为本发明驱动元件结构示意图；
图4为本发明菌型盖的立体结构示意图；
其中：1为外气囊，2为压环，3为承压外壳，4为菌型盖，5为气动接头，6为单向阀，7为气动三通接头，8为截止式电磁阀，9为支撑架，10为安装板，11为隔膜泵，12为水下机器人内舱，13为气压传感器，14为温度传感器，15为导流罩，16为盖盘a，17为盖盘b，18为盖柱，19为气孔a，20为气孔b，21为u形槽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
如图1～3所示，本发明包括外气囊1及分别安装在水下机器人舱体内的菌型盖4、气动接头5和驱动元件，其中外气囊1通过压环2连接在承压外壳3上，承压外壳3上安装有导流罩15，外气囊1位于该导流罩15内，浸没在水下机器人所处海水中。
菌型盖4位于外气囊1的内部，并通过气动接头5与水下机器人的承压外壳3连接，该菌型盖4与承压外壳3之间留有流通空气的缝隙。如图4所示，菌型盖4的上部分别具有盖盘a16及盖盘b17，下部为盖柱18，盖盘a16为圆盘、与承压外壳3之间留有供气体流通的缝隙，盖盘b17位于盖盘a16的下方，且直径小于盖盘a16的直径；盖柱18为圆柱体，内部沿轴向开有气孔a19。盖盘b17的圆周方向沿径向均匀开设有多个气孔b20，各气孔b20的一端分别与气孔a19相连通，另一端开设至盖盘b17的外表面。每个气孔b20上方的盖盘a16的下表面上均开设有用于气体流通的u形槽21。
驱动元件包括单向阀6、气动三通接头7、截止式电磁阀8及由动力源驱动的隔膜泵11，水下机器人舱体内设有安装板10，单向阀6与气动三通接头7通过支撑架9连接在安装板10上，截止式电磁阀8与隔膜泵11通过螺钉固定在安装板10上。隔膜泵11的排气口通过软管与单向阀6连接，单向阀6再通过软管与气动三通接头7的一个端口相连，隔膜泵11的吸气口与水下机器人内舱12连接；截止式电磁阀8为二位二通阀，一端通过软管与气动三通接头7的第二个端口相连，另一端与水下机器人内舱12连接；气动三通接头7的第三个端口通过软管与气动接头5相连。
本发明的隔膜泵11为市购产品，购置于瑞典bieri公司，型号为akp103。本发明的截止式电磁阀8为市购产品，购置于ehe公司，型号为2cfr30。
本发明的工作原理为：
水下机器人需要下潜时，被动气动式浮力补偿装置利用外界的压力将空气压回舱内，进而实现无动力回气的目的；该被动气动式浮力补偿装置通过调节水下机器人的排水体积实现对水下机器人浮力状态的调节。具体为：
水下机器人内舱12预先抽好设定真空度，实现水面回气，并将该抽好真空度的水下机器人内舱12作为内气囊。内气囊与外气囊1之间并联有抽气管路及回气管路，抽气管路上设有由动力源驱动的隔膜泵11及只能向外皮囊1流动的单向阀6，回气管路上设有截止式电磁阀8。水下机器人内舱12的气体通过隔膜泵11抽出，经过单向阀6、气动三通接头7、气动接头5至菌型盖4，再经过菌型盖4上的气孔a19、气孔b20、u形槽21后，由盖盘a16与承压外壳3间的缝隙向外气囊1中充气，进而增加水下机器人的浮力。外气囊1中的气体在外气囊1与水下机器人内舱12的压力差作用下经过菌型盖4上盖盘a16与承压外壳3间的缝隙后，再经u形槽21、气孔b20、气孔a19后，经截止式电磁阀8流回水下机器人内舱612，进而减小水下机器人的浮力。外气囊1内的气体由外界水下压力作用通过截止式电磁阀8回流至水下机器人内舱12，气体的流量通过截止式电磁阀8控制。
当外气囊1内气体都被压回至水下机器人内舱12后，外气囊1压在菌型盖4和承压外壳3上，通过外气囊1、菌型盖4及承压外壳3的配合将菌型盖4与承压外壳3之间的缝隙密封，将水下机器人舱体内的单向阀6、气动三通接头7、截止式电磁阀8及隔膜泵11与外界水压隔离。
本发明浮力补偿装置回气无功耗，适用于需要实时改变浮力状态、要求能耗低、结构要求简单的微型或小型水下机器人，例如水下滑翔机、auv(自治式水下机器人)等。